能量存储系统以及能够稳定利用可变电力的系统的制作方法

本发明涉及能量存储系统以及能够稳定利用可变电力的系统。本申请要求2017年1月24日提交的日本专利申请no.2017-010654的优先权。该日本专利申请中所述的全部内容以引用方式并入本文。

背景技术：

从资源问题、环境问题、安全性等的观点来看，使用诸如太阳能光伏发电和风力发电这样的可再生能源的发电的引入正在发展。在该类型发电的情况下，所产生的电量随着天气、风力状况等而变化，此外，不能根据需求来调整，因此该类型的发电难以稳定地供应电力。如果可再生能源被越来越多地引入，那么所产生的电量超过需求，也就是说，产生了多余电力，因此，作为用于处理多余电力的措施，已实施或考虑将多余电力存储在抽水蓄能发电、蓄电池等中，以维持供应与需求之间的平衡。

例如，专利文献1和非专利文献1公开了由风力发电产生的电力通过电加热器而被转换为热量，并且该热量被存储在蓄热装置(例如，岩石、碎石等)中，并根据需求来使用以产生电力。

例如，专利文献2到10公开了与通过电磁感应将风力涡轮机的旋转力转换为热量、并将该热量转换为电力的所谓的风力热力发电系统相关的技术。专利文献2到8描述了感应加热装置(发热器)，该感应加热装置(发热器)被连接到风力涡轮机，并且利用感应加热将旋转力转换为热量，以加热热传递介质。专利文献9和10描述了使得被连接到风力涡轮机的旋转轴的感应电动机(例如，屏蔽电动机)作为发热器操作以产生热量的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：第2011-169171号日本专利申请公开

专利文献2：第2011-102576号日本专利申请公开

专利文献3：第2011-159595号日本专利申请公开

专利文献4：第2011-216325号日本专利申请公开

专利文献5：第2011-233488号日本专利申请公开

专利文献6：第2012-195230号日本专利申请公开

专利文献7：第2012-197796号日本专利申请公开

专利文献8：第2012-256507号日本专利申请公开

专利文献9：第2014-25410号日本专利申请公开

专利文献10：第2015-46984号日本专利申请公开

非专利文献

非专利文献1：《新能源新闻》，2016年10月17日第63期第7页

技术实现要素：

本公开的能量存储系统包括：发热装置，其被构造成利用电力产生热量；以及蓄热装置，其被构造成存储由发热装置产生的热量，该发热装置包括：电动机，其被连接到电力系统，并且通过从电力系统接收的多余电力来旋转；以及发热器，其具有由电动机旋转的旋转单元以及被构造成通过电磁感应而产生热量的发热单元，并且该发热器被构造成将电动机的旋转力转换为热量。

附图说明

图1是示出根据实施例的能量存储系统的示例的概念图。

图2是第一实施例的发热装置的概念图。

图3是示出第一实施例的发热装置中的发热器的构造的示例的示意性竖直剖视图。

图4是图3所示的发热器的示意性前视图。

图5是第二实施例的发热装置的概念图。

图6示意性地示出第二实施例的发热装置的构造的示例。

图7是用于图示定子绕组的连接的示例的图。

图8示意性地示出第二实施例的发热装置的另一示例。

图9示意性地示出第二实施例的发热装置的又一示例。

图10是示出根据实施例的能量存储系统中的发热装置的另一示例的概念图。

图11示意性地示出包括根据实施例的能量存储系统的能够稳定利用可变电力的系统的构造。

图12示出图11所示的能够稳定利用可变电力的系统的另一构造。

图13示出适用于图11所示的能够稳定利用可变电力的系统的发电装置的实施例。

图14示出适用于图11所示的能够稳定利用可变电力的系统的发电装置的另一实施例。

图15示出适用于图11所示的能够稳定利用可变电力的系统的发电装置的又一实施例。

图16示出抽汽涡轮机被应用到图13到图15所示的蒸汽涡轮机的形式。

具体实施方式

[待由本公开所解决的问题]

预期可再生能源将被越来越多地引入。然而，当诸如太阳能光伏发电和风力发电这样的大量不稳定电源互连到电力系统时，不仅产生由输出波动导致的多余电力，而且还在电力系统中发生频率波动，这使得难以维持系统的频率(或导致不足的频率可控性)，因此导致电力的质量劣化，并且可能对电力系统稳定性具有较大影响。如果电力系统具有大频率波动，那么在一些情况下，连接到该电力系统的发电机可能失步，并且不再可以稳定维持该电力系统。因此，从伴随大量引入可再生能源的电力系统的效率和稳定化的观点来看，期望开发能够存储多余电力并具有频率调整功能的能量存储系统。

抽水蓄能发电已作为一种处理多余电力的措施而投入实际使用。一种类型的抽水蓄能发电是可变速抽水蓄能发电，其能够在通过使用多余电力由发电机电动机驱动抽吸液力涡轮机来抽水时执行频率调整。然而，抽水蓄能发电所处的位置等受到限制，因此难以响应于可再生能源的大量引入而越来越多地建造抽水蓄能发电。作为另一措施，还考虑将蓄电池与诸如太阳能光伏发电和风力发电这样的不稳定电源一起安装，然而，引入蓄电池花费大，并且蓄电池还具有短使用寿命以及许多其它问题。

此外，如专利文献1和非专利文献1所述，例如，考虑向电力系统提供能量存储系统，该能量存储系统通过电加热器将风力发电的多余电力转换为热量并将该热量存储在蓄热装置中。虽然将电力作为热量存储的这种能量存储系统效率低于蓄电池，但其能够以低成本引入并具有较长使用寿命等，因此具有优越成本效率。然而，虽然能量存储系统能够吸收多余电力，但是电加热器不具有频率调整功能，并且该能量存储系统不在产生多余电力时有助于电力系统的稳定化。

本公开的一个目标是提供能够吸收电力系统的多余电力并且还具有频率调整功能的能量存储系统。

[本公开的有利效果]

当前公开的能量存储系统能够吸收多余电力并具有频率调整功能。

具体实施方式

首先，将列举且描述本发明的实施例。

(1)在本发明的一个方面中，一种能量存储系统包括：发热装置，该发热装置被构造成利用电力产生热量；以及蓄热装置，该蓄热装置被构造成存储由发热装置所产生的热量，该发热装置包括：电动机，该电动机被连接到电力系统，并且通过从该电力系统接收的多余电力来旋转；以及发热器，该发热器具有由电动机旋转的旋转单元以及被构造成通过电磁感应而产生热量的发热单元，并且该发热器被构造成将电动机的旋转力转换为热量。

在能量存储系统中，发热装置将多余电力转换为热量。发热装置具有电动机和发热器组合在一起的构造。包括被连接到电力系统的电动机允许实施频率调整功能，这对于使电力系统稳定化是有效的。被连接到电力系统的电动机随着电动机旋转具有惯性力。当电力系统由于诸如太阳能光伏发电和风力发电这样的不稳定电源而具有频率波动时，惯性力允许待被输入/输出的能量吸收频率波动，以使得能够实现瞬时频率调整功能。此外，也能够预期无功功率吸收效果。此外，包括将电动机的旋转力转换为热量的发热器允许吸收多余电力。包括存储由发热装置产生的热的蓄热装置的能量存储系统能够将多余电力作为热量存储。

因此，能量存储系统能够吸收多余电力，并且还具有频率调整功能，因此表现出使电力系统稳定化(或维持电力质量)的效果。

(2)在能量存储系统的一个方面中，电动机是同步电动机或感应电动机，并且发热器被联接到电动机的旋转轴。

电动机例如是交流电动机，诸如同步电动机或感应电动机。发热器被联接到电动机的旋转轴的构造允许电动机和发热器在功能上彼此分离，并且发热装置的构造能够在构造上被简化并容易被控制。特别是，同步电动机对于吸收无功功率是有效的。感应电动机通常是三相感应电动机。

(3)在能量存储系统的一个方面中，电动机是感应电动机，并且电动机自身也用作发热器。

感应电动机能够被作为发热器操作，并且当电动机是感应电动机时，电动机自身也能够作为发热器。这允许将发热装置小型化。

(4)在能量存储系统的一个方面中，感应电动机是绕线转子感应电动机。

感应电动机(三相感应电动机)包括鼠笼感应电动机和绕线转子感应电动机。当电动机是绕线转子感应电动机时，能够预期电力质量的提高，诸如提高的瞬时频率调整性能。

(5)在能量存储系统的一个方面中，该能量存储系统还包括位于电动机的旋转轴上的飞轮。

包括飞轮允许电动机具有提高的惯性力，因此有助于瞬时频率调整。

(6)在能量存储系统的一个方面中，发热器的发热单元被固定。

发热器的发热单元被固定有助于从该发热器提取热量。

(7)在能量存储系统的一个方面中，发热器的发热单元被布置在旋转单元的外部。

发热器的发热单元被布置在外部有助于从发热器提取热量。

(8)在能量存储系统的一个方面中，发热器包括超导线圈，并且该超导线圈使得发热单元产生电磁感应。

使用超导线圈允许产生强磁场，并且电磁感应允许发热单元产生较高温度的热量。例如，还能够产生高于700℃的热量。

(9)在能量存储系统的一个方面中，能量存储系统还包括发电装置，该发电装置被构造成使用存储在蓄热装置中的热量来产生电力。

通过包括发电装置，电力存储系统能够被实施成允许通过将多余电力转换为热量而被存储的能量作为电力提取。例如，发电装置可以被连接到电力系统，并且当存在对电力系统的增加的需求时，由发电装置产生的电力可以被馈送到电力系统。此外，由发电装置产生的电力可以被用于通过水的电解来制造氢气。存储在蓄热装置中的热量不仅能够被用于发电，而且按原样使用(即，作为热)，并且例如被用于加热、热水供应、热化学反应等。

(10)在本发明的一个方面中，一种能够稳定利用可变电力的系统包括：根据上述项目(9)的能量存储系统；以及开关，该开关被构造成将发电装置连接到电力系统和第二电力系统中的任一个。

在上述能够稳定利用可变电力的系统中，能量存储系统将多余电力转换为热量，因此存储该热量，这对于使该电力系统稳定化是有效的。此外，通过将所存储的能量作为电力提取，能够有效地使用所存储的能量。

(11)在能够稳定利用可变电力的系统的一个方面中，发电装置包括：第一蒸汽涡轮机；第一发电机，该第一发电机被联接到第一蒸汽涡轮机，并且被构造成向电力系统供应交流电；第二蒸汽涡轮机；以及第二发电机，该第二发电机被联接到第二蒸汽涡轮机，并且被构造成向第二电力系统供应交流电。

通过使用第一发电机和第二发电机，能够各自向两个电力系统供应电力。

(12)在能够稳定利用可变电力的系统的一个方面中，发电装置包括：蒸汽涡轮机；以及发电机，该发电机被联接到蒸汽涡轮机，并且该发电机被构造成由蒸汽涡轮机驱动，以向电力系统供应具有第一频率的交流电，并且向第二电力系统供应具有第二频率的第二交流电，该第二频率不同于第一频率。

通过改变由蒸汽涡轮机对发电机的驱动，能够产生频率不同的交流电。例如，在日本，能够通过频率转换来进行电力的相互适应。

(13)在能够稳定利用可变电力的系统的一个方面中，发电装置包括：发电机；第一蒸汽涡轮机，该第一蒸汽涡轮机被构造成驱动发电机，以允许该发电机向电力系统供应具有第一频率的交流电；第一离合器，该第一离合器被构造成将第一蒸汽涡轮机联接到发电机；第二蒸汽涡轮机，该第二蒸汽涡轮机被构造成驱动发电机，以允许发电机向电力系统供应具有第二频率的交流电，该第二频率不同于第一频率；第二离合器，该第二离合器被构造成将第二蒸汽涡轮机联接到发电机；以及三向阀，该三向阀被构造成向第一蒸汽涡轮机和第二蒸汽涡轮机中的一个供应蒸汽。

通过在第一蒸汽涡轮机与第二蒸汽涡轮机之间切换发电机的驱动，能够产生频率不同的交流电。例如，在日本，能够通过频率转换来进行电力的相互适应。

(14)在能够稳定利用可变电力的系统的一个方面中，发电装置包括：蒸汽涡轮机；以及发电机，该发电机被联接到蒸汽涡轮机，并且该蒸汽涡轮机是抽汽涡轮机。

除了通过发电机供应电力之外，通过使用抽汽涡轮机，还能够供应热量。

[实施例的详细描述]

现将在下文中参考附图来描述根据本发明的实施例的能量存储系统的具体示例。在附图中，相同附图标记标注相同或等同部件。应注意的是，本发明由权利要求书的条款限定，而不是由这些示例限定，并且旨在包括处于等同于权利要求书的条款的含义和范围内的任何修改。

[实施例]

参考图1到图10，将描述根据实施例的能量存储系统1。图1所示的能量存储系统1被安装在电力系统l中，并且包括发热装置100和蓄热装置200。在此示例中，电力系统l还包括发电装置300。能量存储系统1的一个特征在于，发热装置100包括电动机10以及发热器20，电动机10被连接到电力系统l，发热器20将电动机10的旋转力转换为热量。在下文中，首先将参考图1来描述能量存储系统1的构造，随后将主要参考图2到图10来详细描述发热装置100的构造。

<电力系统>

电力系统l是将由电源g产生的电力供应到消费者的设施。电源g由被连接到电力系统l的一群发电机构成。电源g包括例如各种电源，诸如由太阳能光伏发电、风力发电等代表的可再生能源电源以及诸如热力发电、核能发电和水电发电的一般电源。

<发热装置>

发热装置100是从电力产生热量的设备，并且更具体来说，发热装置100被连接到电力系统l，并且将电力系统l的多余电力转换为热量。发热装置100具有电动机10和发热器20组合在一起的构造。该示例包括控制单元110，该控制单元110根据电力系统l的多余电力来控制发热装置100，并且当电力系统l具有多余电力时，发热装置100由控制单元110操作。例如，电力系统l设置有电力监视系统(未示出)，以监视由电源g产生(或供应)的电量、由消费者消耗(或需求)的量等。电力监视系统监视电力系统l的电力的需求和供应，并且基于电力的供应和需求来将操作命令发布到控制单元110。控制单元110在产生多余电力时从电力监视系统接收操作命令，并且控制单元110将控制命令发布到电动机10、发热器20等，以根据多余电力来控制发热装置100(电动机10、发热器20)。

<蓄热装置>

蓄热装置200是存储由发热装置100产生的热的装置。蓄热装置200能够是已知装置，并且例如，具有热存储材料被引入热绝缘容器中的结构。热存储材料能够是诸如，岩石、碎石、熔盐等的热存储材料，改热存储材料已经在聚光太阳能热力发电中被投入实际使用。

<发电装置>

发电装置300是通过使用在蓄热装置200中存储的热量来产生电力的设备，并且发电装置300被连接到电力系统l。发电装置300能够是已知设备，并且例如由蒸汽涡轮机和发电机构成。

在该示例中，热传递介质由发热装置100加热，并且所加热的热传递介质被供应到蓄热装置200，并且所加热的热传递介质的热量被用于加热热存储材料，以存储该热量。具体来说，蓄热装置200设置有两个热交换回路，并且热传递介质被供应到热交换回路中的一个，以加热热存储材料，并且因此将热量存储在热存储材料中。此外，当从蓄热装置200提取热量时，例如，向另一热交换回路供应水，以产生蒸汽，并且因此提取被存储在热存储材料中的热量。所提取的热量(或蒸汽)被发送到发电装置300，以由此操作蒸汽涡轮机来驱动发电机，以产生电力。发电装置300根据电力的需求而受到控制，并且当需求增长时，发电装置300产生电力并将该电力馈送到电力系统l。在该示例中，发电装置300由控制单元110控制，并且当电力系统l的电力的需求增长时操作。例如，当电力的需求增长时，操作命令从电力监视系统被发送到控制单元110，并且响应于操作命令，控制单元110将控制命令发布到发电装置300，以取决于电力的需求来控制发电装置300。

现将详细描述发热装置100的构造。发热装置100包括电动机10以及发热器20，电动机10被连接到电力系统l，发热器20将电动机10的旋转力转换为热量。电动机10通过从电力系统l接收的多余电力来旋转。发热器20具有由电动机10旋转的旋转单元21以及通过电磁感应而产生热量的发热单元22(参见图3和图5)。电动机10取决于多余电力由控制单元110操作。发热装置100包括电动机10和发热器20分离的分离型(第一实施例)以及电动机10自身还用作发热器20的集成型(第二实施例)，如下文将描述的那样。

[第一实施例]

在第一实施例中，将参考图2到图4来描述分离型的发热装置100。在根据第一实施例的发热装置100中，如图2所示，发热器20被联接到电动机10的旋转轴11。

<电动机>

电动机10是同步电动机或感应电动机，并且能够是任何已知的这种电动机。感应电动机通常是三相感应电动机，并且可以是鼠笼感应电动机或绕线转子感应电动机。如图2所示，电动机10经由电力转换装置12而被连接到电力系统l，并且接收由电力转换装置12转换的电力。电力转换装置12由控制单元110控制(参见图1)。

<发热器>

发热器20由电动机10驱动。如图3和图4所示，发热器20的示例具有包括旋转单元21、发热单元22、磁通产生单元33和热传递介质通道34的构造。

(旋转单元)

旋转单元21具有旋转轴31，旋转轴31被连接到电动机10的旋转轴11(参见图2)，并且随着电动机10的旋转轴11的旋转而旋转。旋转轴31由轴承32以可旋转的方式支撑(参见图3)。旋转轴31可以被直接连接到电动机10的旋转轴11，或可以经由加速齿轮(未示出)而被连接到旋转轴11。在直接连接的情况下，能够避免由加速齿轮(或齿轮箱)导致的麻烦。

旋转单元21在外周上具有多个径向突出的突起331(参见图4)。在该示例中，旋转单元21具有在周向上等距的六个突起331。此外，旋转单元21具有下文将描述的磁通产生单元33(在该示例中，线圈33c)，磁通产生单元33在外周上被附接到旋转单元21。为了便于说明，旋转单元21逆时针旋转。在图4中，用于指示旋转单元21的细线箭头指示旋转单元21旋转的方向。

旋转单元21可以由任何材料形成，无论该材料是磁性的还是非磁性的，只要其具有机械强度并能够支撑磁通产生单元33即可，并且该材料优选是结构强度和长期耐久性(耐气候性和耐腐蚀性)优越的材料。例如，材料包括铁、钢、不锈钢、铝合金、镁合金和其它类似金属材料以及gfrp(玻璃纤维增强塑料)、cfrp(碳纤维增强塑料)和其它类似复合材料。

在该示例中，旋转单元21(包括突起331)由磁性材料形成。当磁通产生单元33(线圈33c)是常规传导线圈时，优选形成磁性材料的旋转单元21。另一方面，当使用超导线圈时，旋转单元21可以由磁性材料或非磁性材料形成。当使用超导线圈时，可以优选形成非磁性材料的旋转单元21，这是因为存在以下可能性：旋转单元21的磁通饱和可以限制所产生的电场。

(发热单元)

发热单元22被布置成使得其与旋转单元21间隔开。在该示例中，发热单元22是圆筒形的，并且被布置在旋转单元21外部，并且被固定到壳体(未示出)，使得发热单元22不旋转。随着由下文将描述的磁通产生单元33导致的磁通经过，发热单元22通过电磁感应而产生感应电流(或涡流)，并且相对于感应电流的电阻允许发热单元22产生热量。发热单元22可以由通过电磁感应产生热量的材料形成，并且优选例如导电磁性材料(诸如铁、钢和不锈钢)。

(磁通产生单元)

磁通产生单元33被附接到旋转单元21，并且产生用于发热单元22的磁通，因此使得发热单元22产生电磁感应。在该示例中，磁通产生单元33在外周上被设置在旋转单元21上，以面向发热单元22，并且产生朝向发热单元22的磁通。线圈33c被用于磁通产生单元33，并且旋转单元21的每一个突起331都具有缠绕在突起331上、因此被附接到凸起331上的线圈33c(总计六个线圈)(参见图4)。当突起331由磁性材料形成时，磁通产生单元33将由线圈33c和突起331构成。直流电力供应器例如经由滑环而被连接到每一线圈33c，并且穿过每一个线圈33c的电流的方向受到控制，以允许相邻线圈33c的极性彼此不同(参见图4)。磁通产生单元33(或线圈33c)的数量可以视需要来设定，并且可以例如是四个或更多个、六个或更多个或甚至八个或更多个。

当磁通产生单元33是线圈(或电磁体)时，其可以是永磁体。线圈包括诸如铜线这样的常规传导线圈以及使用超导线材的超导线圈。当使用线圈时，使大电流穿过线圈能够产生大磁场，并且控制待穿过线圈的电流能够调整磁场强度。通过电磁感应而产生的热量的量与磁场强度的平方成比例，并且当线圈与永磁体相比时，线圈有助于提高所产生的热量的量。此外，当线圈与永磁体相比时，线圈对由于温度升高所导致的磁性特性的降低、磁性特性随着时间劣化等更焗油膏抗性。因此，当线圈被用于磁通产生单元33时，容易增大穿过其中的电流，以维持足够的磁场强度，因此容易获得足够导致发热单元22产生热量以达到预定温度(例如，100℃或更高，甚至，200℃或更高)的性能(热能)。当直流电流穿过线圈以产生直流磁场并且线圈是超导线圈时，电阻是零，并且如果通过大电流，线圈也不产生大量热量(或导致大量损耗)。因此，当作为超导线圈的线圈与常规传导线圈相比时，作为超导线圈的线圈能够抑制其由大电流经过而导致的热量产生(或损耗)，并且产生相当强的磁场，而无电力的损耗。当超导线圈被用于线圈33c时，其强磁场允许发热单元22被加热到较高温度，并且还能够使得发热单元22产生等于或大于形成发热单元22的磁性材料的居里温度(例如，超过700℃)的热量。当使用超导线圈时，其可以由冷却护套围绕，因此被冷却以维持超导状态。

(热传递介质通道)

发热单元22设置有热传递介质通道34，热传递介质流过热传递介质通道34。热传递介质从发热单元22接收热量，因此被加热。在该示例中，热传递介质通道34在外周上围绕发热单元22，并且在轴向上螺旋地延伸，并且热传递介质通道34的一个端部具有入口341，以接收热传递介质，并且另一个端部具有出口342，以排出热传递介质(参见图3)。热传递介质通道34由管道34p构成，管道34p例如由诸如铁、钢、不锈钢等的金属材料形成。热传递介质例如包括水、水蒸汽、油、液态金属(na、pb等)、熔盐或类似液体和气体。

发热器20以如下所述的机制来产生热量：磁通产生单元33(或线圈33c)产生磁通，进而该磁通穿过发热单元22。当磁通穿过发热单元22时，磁场在发热单元22的、面向磁通产生单元33并且磁通产生单元33的磁通与之联接的区域中较强，并且大量磁通穿过其中。另一方面，磁场在发热单元22的、不面向磁通产生单元33并且磁通产生单元33的磁通不与之联接的区域中较弱，并且穿过其中的磁通减少。并且随着磁通产生单元33随着旋转单元21旋转，磁通产生单元33相对于发热单元22移动，使得沿着发热单元22的整个外周穿过发热单元22的磁通改变，因此施加到发热单元22的磁场周期性地改变。因此，在发热单元22中产生涡流，因此发热单元22产生热量，并且该热量被传递到流经热传递介质通道34(或管道34p)的热传递介质，因此加热该热传递介质。

在该示例中，相邻磁通产生单元33(或线圈33c)的极性彼此不同，并且磁通(或磁场)在面向n极的磁通产生单元33时与面向s极的磁通产生单元33时之间的方向上相反。因此，当磁通产生单元33随着旋转单元21旋转时，磁通(或磁场)使得其方向周期性地颠倒，因此发生改变。应注意的是，即使每一个磁通产生单元33都具有相同极性(例如，如果旋转单元21的外圆周侧具有n极并且其中央侧具有s极)，磁场也在发热单元22的面向磁通产生单元33的部分处强化，并且该磁场在这些部分之间减弱。因此，随着磁通产生单元33随着旋转单元21旋转，磁场的强度将周期性地改变，使得在发热单元22中产生涡流，并且因此导致发热单元22产生热量。然而，在此情况下，磁场不颠倒方向。当相邻磁通产生单元33的极性彼此不同并且磁场的方向颠倒时，被施加到发热单元22的磁场的幅度增大(或显著改变)，使得能够产生较大涡流并且能够增加产生的热量。

此外，在该示例中，通过改变穿过线圈33c的电流的大小，由发热器20产生的热量的量可受到控制，并且电动机10的负载的量能够被改变。具体来说，当发热器20能够在电动机10在额定输出下旋转时产生的热量的最大量被表示为100％时，由发热器20产生的热量的量能够被控制在0到100％的范围中。并且，当在由发热器20产生的热量的量是100％时的电动机10的负载被表示为100％时，负载能够通过控制由发热器20产生的热量的量在0到100％的范围中改变。因为电动机10通过从电力系统l接收的多余电力旋转，所以电动机10将具有随着多余电力的量变化的旋转力，然而，电动机10的负载能够通过控制由发热器20产生的热量的量而改变。因此，当多余电力小并且电动机10具有减小的旋转力时，由发热器20产生的热量的量能够减小，而当多余电力大并且电动机10具有增大的旋转力时，由发热器20产生的热量的量能够增大，使得在电动机10保持旋转的同时，多余电力能够被最大地转换为热量。也就是说，发热装置100具有宽的可操作范围。通常，变速抽水蓄能发电具有额定输出的约±10％的可调整负载范围(在抽吸操作中的发电机电动机的操作范围)，并且因此相信，上述操作范围的宽的范围更有助于电力系统l的稳定化。例如通过从控制单元110发布的控制命令取决于多余电力来控制穿过线圈33c的电流(参见图1)。

[第二实施例]

在第二实施例中，将参考图5到图9来描述集成型的发热装置100。在第二实施例的发热装置100中，如图5所示，电动机10自身也用作发热器20。在第二实施例的发热装置100中，电动机10是感应电动机。作为第二实施例的发热装置100的示例，如图6所示，电动机10被容纳在容器44中，热传递介质穿过容器44。

电动机10是三相感应电动机，并且在该示例中，其为鼠笼式感应电动机。如图6所示，电动机10包括转子41以及与转子41间隔开的定子42。在该示例中，转子41被附接到旋转轴11，并且转子41用作发热器20的旋转单元21。

(转子)

转子41具有转子铁芯411以及围绕转子铁芯411的转子导体412。在该示例中，转子导体412是鼠笼式导体。虽然在该示例中，电动机10是使用鼠笼式导体作为转子41的鼠笼式感应电动机，但其也可以是使用绕组作为转子41的绕线转子感应电动机。转子铁芯411能够例如由诸如硅钢板这样的磁性材料形成。转子导体412可以例如由诸如铜或铝这样的导电材料形成。

(定子)

定子42被布置在转子41外侧，并且具有定子铁芯421以及定子绕组422，定子铁芯421具有面向转子41的凸极，定子绕组422缠绕在所述凸极上。定子42具有以分散式方式缠绕在定子铁芯421的凸极上的三相(u相、v相、w相)的定子绕组422。虽然定子绕组422是分散绕组，但是其能够是集中绕组。在该示例中，定子绕组422使得其每一相是y连接(参见图7)。定子铁芯421被构造成具有圆筒形磁轭以及从该磁轭朝向转子41突起的凸极。定子铁芯421能够例如由诸如硅钢板这样的磁性材料形成。此外，在该示例中，定子绕组422被布置在达到高温的热传递介质中，并且因此被用于高温的环境中，因此，定子绕组422可以例如是具有陶瓷绝缘层的超耐热绕组。当然，当在低温下使用时，定子绕组422能够是诸如聚酰胺酰亚胺铜线或聚酰亚胺铜线这样的漆包线。

(容器)

电动机10(转子41和定子42)被容纳在容器44中。容器44设置有用于以可旋转的方式支撑旋转轴11的轴承45。容器44例如是金属容器，并且在该示例中，金属容器由热绝缘材料围绕，以构造热绝缘容器。热绝缘材料可以例如是石棉、玻璃棉、泡沫塑料、砖块、陶瓷或由这些材料中的任意组合的复合材料。虽然图6示出了被容纳在容器44中的旋转轴11，但旋转轴11可以使得相反端中的至少一个被拉出容器44。在此情况下，例如，下文将描述(参见图10)的飞轮15能够被附接到旋转轴11的被拉出容器44的端部，或第一实施例中所述的发热器20(参见图2和图3)能够进一步被联接到其上。这也适用于图8和图9所示出的情况。

容器44的一个端部设置有用于接收热传递介质的入口441，并且另一个端部设置有用于排出热传递介质的出口442，并且热传递介质流经其中。热传递介质接收由电动机10产生的热量，因此被加热。

(电力转换装置)

电动机10经由电力转换装置12而被连接到电力系统l，并且接收由电力转换装置12转换的电力。电力转换装置12通过逆变器来提供到可变频率的三相交流电的转换，以速度可变地控制电动机10。电力转换装置12具有单相交流转换单元以及三相交流转换单元，所述单相交流转换单元向定子绕组422供应单相交流电以产生交变磁场，所述三相交流转换单元向定子绕组422供应三相交流电以产生旋转磁场，并且电力转换装置12能够叠加单相交流电和三相交流电，并且将它们供应到定子绕组422。电力转换装置12由控制单元110控制(参见图1)。

当电力转换装置12向定子绕组422供应单相交流电时，定子42产生交变磁场。随着交变磁场被施加到转子41，通过电磁感应在转子导体412中产生感应电，并且转子导体412因此产生热量(即，处于发热模式中)。也就是说，转子41(转子导体412)用作发热器20的发热单元22。当转子41因此发挥功能时，转子41不具有旋转力，并且输入电力将大致完全作为热量而被消耗，并且电动机10能够作为发热器20而被操作。另一方面，当定子绕组422接收三相交流电时，定子42产生旋转磁场。随着旋转磁场被施加到转子41，转子41具有旋转力，并且因此旋转。这与常规电动机的操作原理相同，并且多数输入电力将被消耗以用于旋转。因此，将三相交流电叠加在单相交流电上能够在使电动机10旋转的同时使得电动机10产生热量，并因此允许电动机10也用作发热器20。当电动机10也用作发热器20时，必须叠加单相交流电和三相交流电。

此外，通过改变被供应到定子绕组422的单相交流电压的大小，能够控制由电动机10产生的热量的量，并且能够改变电动机10的负载的大小。具体来说，当电动机10的额定输出被表示为100％时，用于产生热量的输出能够被控制在额定输出的0到100％的范围中。电动机10中的热量产生能够被视为在电动机10处导致的负载。通过控制由电动机10产生的热量的量，负载能够在0到100％的范围中改变。因为电动机10通过从电力系统l接收的多余电力旋转，所以电动机10将具有随着多余电力的量变化的旋转力，然而，电动机10的负载能够通过控制所产生的热量的量而被改变。因此，当多余电力小时，能够减小由电动机10产生的热量的量，而当多余电力大时，能够增加由电动机10产生的热量的量，使得在电动机10保持旋转的同时，多余电力能够被最大转换为热量。也就是说，发热装置100具有宽的可操作范围。可操作范围的宽范围比上述可变速抽水蓄能发电的可调整负载范围宽，并且因此被认为更显著地有助于电力系统l的稳定化。例如通过从控制单元110发布的控制命令，根据多余电力来控制被供应到定子绕组422的电力(参见图1)。

在图6所示的发热装置100中，电动机10(转子41和定子42)被完全容纳在容器44内的单个空间中。如图8所示，提供隔膜46以将容器44的内部径向划分为容纳转子41的空间(转子容纳腔室461)以及容纳定子42的空间(定子容纳腔室462)的结构也适用。在此情况下，如在图8所示的发热装置100中，用于接收和排出热传递介质的入口441和出口442被设置到转子容纳腔室461，以使热传递介质独自穿过转子容纳腔室461。在该示例中，入口441位于容器44的一个端部处，并且出口442位于容器44的另一个端部处。随着热传递介质流经转子容纳腔室461，热传递介质接收由用作发热单元22的转子41(或转子导体412)产生的热量，因此热传递介质被加热。这能够通过由转子41所产生的热量加热的热传递介质来抑制加热定子42，因此减小定子绕组422的温度的上升。隔膜46可以通过热绝缘材料设置热绝缘层(未示出)，以抑制热量从转子容纳腔室461到定子容纳腔室462的传导。

此外，当上述结构被应用于通过隔膜46将容器44的内部划分成转子容纳腔室461和定子容纳腔室462时，然后如在图9所示的发热装置100中那样，还能够向定子容纳腔室462提供用于接收热传递介质的入口441，并且向转子容纳腔室461提供用于排出热传递介质的出口442。在此情况下，如图9所示，隔膜46可以设置有连通孔463，以允许转子容纳腔室461和定子容纳腔室462彼此连通。在该示例中，入口441和出口442位于容器44的一个端部处，并且连通孔463位于容器44的另一个端部处。因此，低温的热传递介质被接收，并且流经定子容纳腔室462，随后，穿过连通孔463并流经转子容纳腔室461，并且因此由转子41(或转子导体412)中产生的热量加热。因此，在所供应的热传递介质被加热之前，热传递介质能够吸收由定子42(或定子绕组422)产生的热量，因此冷却定子42(或定子绕组422)，这允许定子绕组422具有减小的使用中的耐热温度。在此情况下，将在定子42与转子41之间产生温度梯度。

{功能和效果}

根据上文所述的每一个实施例的能量存储系统1能够展现以下效果。

将电力系统l的多余电力转换为热量的发热装置100具有将电动机10和发热器20组合在一起的构造。包括被连接到电力系统l的电动机10允许实施频率调整功能，这对于使电力系统l稳定化是有效的。因为电动机10旋转，所以电动机10具有惯性力，并且当电力系统l具有频率波动时，该频率波动能够通过惯性力被吸收，以提供瞬时频率调整。此外，包括将电动机10的旋转力转换为热量的发热器20允许吸收电力系统l的多余电力。并且通过包括存储由发热装置100产生的热量的蓄热装置200，电力系统l的多余电力能够作为热量被存储。为了充分确保电力系统l的频率调整性能以及由发热装置100产生的电力的量，例如，电动机10优选具有100kw或更大并且更优选500kw或更大、再优选1mw或更大的额定输出。

参考图2到图4所述的根据第一实施例的分离型的发热装置100具有在功能上彼此分离的电动机10和发热器20，因此构造简单且容易控制。另一方面，参考图5到图9所述的根据第二实施例的集成型的发热装置100具有自身还用作发热器20的电动机10，并且因此能够减小尺寸。

此外，在根据第一实施例和第二实施例的发热装置100中，如图10所示，飞轮15可以被设置在电动机10的旋转轴11上。这增大了电动机10的惯性力，并且能够预期的是，瞬时频率调整功能被改进。

当如在图1所示的能量存储系统1中那样包括发电装置300时，然后，在电力系统l的多余电力被转换为热量并被存储在蓄热装置200中之后，热量能够被用于发电，并且因此能够实施电力储存系统。

{能量存储系统的应用}

根据实施例的能量存储系统1能够被用于存储电力系统l的电力，并且还能够被用于氢气的生产、加热、热水供应、热化学反应等。在下文中，将能够稳定利用可变电力的系统50作为根据实施例的能量存储系统1的一种应用形式公开。

图11示意性地示出了包括根据实施例的能量存储系统1的能够稳定利用可变电力的系统50的构造。参考图11，能够稳定利用可变电力的系统50通过存储由被连接到电力系统l的可再生能源(电源g)产生的多余电力(可变电力)来实现可变电力供应。此外，能够稳定利用可变电力的系统50能够利用可变电力。

例如，在日本，能够稳定利用可变电力的系统50能够通过频率转换而能被用于电力的相互适应。在日本，日本东部和日本西部具有频率不同的交流电源。日本西部具有60hz的交流电源频率，而日本东部具有50hz的交流电源频率。由于频率的差异，日本东部与日本西部之间适应的电力的量受频率转换设施的容量限制。

根据图11所示的构造，能够稳定利用可变电力的系统50包括发电装置300和开关400。发电装置300使用存储在蓄热装置200中的热量来产生电力。开关400能够在电力系统l1与电力系统l2之间切换发电装置300的输出。电力系统l1是具有60hz的频率的电力系统，并且电力系统l2是具有50hz的频率的电力系统。

在图11所示的状态中，开关400将发电装置300的输出连接到电力系统l1。在此情况下，能够稳定利用可变电力的系统50的构造等同于图1所示的构造。图12示出图11所示的能够稳定利用可变电力的系统50的另一构造。如图12所示，开关400能够将发电装置300的输出与电力系统l1断开并将发电装置300的输出连接到电力系统l2。

如上文已经描述的那样，发电装置300可以包括蒸汽涡轮机和发电机。图13到图15示出构造与发电装置300相关的一些实施例。然而，发电装置300的构造不限于下文所述的构造。

图13示出能够适用于图11所示的能够稳定利用可变电力的系统50的发电装置300的实施例。如图13所示，发电装置300能够包括蒸汽涡轮机301和303以及发电机302和304。发电机302是60hz发电机，并且发电机304是50hz发电机。发电机302使得其旋转轴被联接到蒸汽涡轮机301，并且发电机304使得其旋转轴被联接到蒸汽涡轮机303。蒸汽涡轮机301是适用于产生60hz电力的3600rpm涡轮机。蒸汽涡轮机303是适用于产生50hz电力的3000rpm涡轮机。开关400切换是否将发电机302的输出连接到电力系统l1，以及切换是否将发电机304的输出连接到电力系统l2。

图14示出能够适用于图11所示的能够稳定利用可变电力的系统50的发电装置300的另一实施例。如图14所示，发电装置300能够包括蒸汽涡轮机301和发电机302。类似于在图13所示的构造中那样，蒸汽涡轮机301和发电机302适用于产生60hz交流电。虽然将蒸汽涡轮机301的旋转速度从3600rpm减小到3000rpm确实降低了效率，但是发电装置300能够产生50hz交流电。

图15示出能够适用于图11所示的能够稳定利用可变电力的系统50的发电装置300的又一实施例。如图15所示，发电装置300能够包括蒸汽涡轮机301和303、发电机302、三向阀310以及离合器311和312。三向阀310切换蒸汽在蒸汽涡轮机301与蒸汽涡轮机303之间的供应。离合器311切换是否将蒸汽涡轮机301的动力传输到发电机302。离合器312切换是否将蒸汽涡轮机303的动力传输到发电机302。当发电机302被连接到蒸汽涡轮机301时，发电机302产生60hz交流电。当发电机302被连接到蒸汽涡轮机303时，发电机302产生50hz交流电。

如图16所示，蒸汽涡轮机301可以是抽汽涡轮机。从蒸汽涡轮机301提取被供应到蒸汽涡轮机301的一部分蒸汽(或蒸汽305)，并且使用蒸汽305的热量。因此，除了通过发电机302供应电力之外，还能够供应热量。除了被用于使蒸汽涡轮机301旋转的蒸汽外，冷凝器320还冷凝从蒸汽涡轮机301提取的蒸汽305。

图13所示的蒸汽涡轮机301可以是抽汽涡轮机。在此情况下，除了通过发电机304供应电力之外，还能够供应热量。蒸汽涡轮机301和303中的一个或两个可以是抽汽涡轮机。

已将在日本的应用指示为能够稳定利用可变电力的系统50的典型应用示例。然而，根据实施例的能够稳定利用可变电力的系统50能够在没有位置的限制的情况下应用。例如，能够稳定利用可变电力的系统50也能够适用于美国。虽然美国采用60hz的交流频率，但美国土地面积大，并且因此，以区域为基础来操作电力系统。虽然美国的一些区域被过度供应电力，但另一个区域可能缺少电力。根据实施例的能够稳定利用可变电力的系统50(参见图11和图12)能够适用于这些区域的电力系统的连结。在该应用形式中，能够将同步发电机作为发电装置300中所包括的发电机来应用，并且可以不考虑电力系统之间的相差。

附图标记列表

g电源

l、l1、l2电力系统

1能量存储系统

50能够稳定利用可变电力的系统

100发热装置

110控制单元

200蓄热装置

300发电装置

400开关

10电动机

11旋转轴

12电力转换装置

15飞轮

20发热器

21旋转单元

22发热单元

31旋转轴

32轴承

33磁通产生单元

33c线圈

331突起

34热传递介质通道

34p管道

301、303蒸汽涡轮机

302、304发电机

305蒸汽

310三向阀

311、312离合器

320电容器

341入口

342出口

41转子

411转子铁芯

412转子导体

42定子

421定子铁芯

422定子绕组

44容器

441入口

442出口

45轴承

46隔膜

461转子容纳腔室

462定子容纳腔室

463连通孔